Konstruování KKS/KS. doc. Ing. Václava Lašová, Ph.D. Plzeň, 2016

Transkript

1 Katedra konstruování strojů Fakulta strojní Konstruování KKS/KS doc. Ing. Václava Lašová, Ph.D. 3 Teorie vlastností TS Podklady k přednáškám Kapitola 3 prof. Ing. Stanislav Hosnedl, CSc. Plzeň, 2016 Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/ Inovace výuky podpořená praxí.

2 KONSTRUOVÁNÍ PRO ÚPLNOST K INFORMACI POTŘEBNÉ DŮLEŽITÉ 3 Teorie vlastností TS Vlastnosti TS. Třídění vlastností TS. Základní vztahy mezi vlastnostmi TS. Základní principy poznatků Design for X (DfX) a Prediction of X (PoX) S. Hosnedl 2

3 VLASTNOSTI TS podle EDSM DŮLEŽITÉ Vlastnost TS je [Hubka 1980, p. 64] každý znak, charakteristika, atribut, apod. TS, který TS z nějakého hlediska charakterizuje. Pojem vlastnost lze pro oblast konstruování TS považovat za optimální z řady uvedených i dalších alternativních synonym. Je zde proto pro zjednodušení používán výhradně. Každý TS je nositelem vkonstruovaných, tj. na konstrukci (stavební struktuře) TS kauzálně závislých vlastností, jako jsou např. výkon, tvar, velikost, stabilita, barva, vyrobitelnost pro skladování a dopravitelnost, atd. I když jsou tyto vlastnosti často ovlivňovány také dalšími faktory (např. výrobní náklady, trvanlivost, spolehlivost, atd.), je podstatné, že za definovaných okolností mohou být pro navrhovanou/existující konstrukci (stavební struktury) TS požadovány, měřeny (přímo nebo predikováním), porovnávány a hodnoceny, což je základem pro hodnocení kvality TS. Tyto vlastnosti jsou zde proto označovány jako Product-Design vlastnosti. Každý TS je však charakterizován i vlastnostmi, které nejsou jeho konstrukcí ovlivněny, a které jsou k TS pouze přiřazeny, jako je např. cena, vlastník, apod. Tyto vlastnosti jsou zde označovány jako Product-Business vlastnosti. Poznámka: - Konstruování TS se tedy většinou týká jen Product-Design vlastností, pokud proto není pro zjednodušení rozlišeno, jedná se pod pojmem vlastnost TS o Product-Design vlastnost TS S. Hosnedl 3 i

4 INDIKÁTORY VLASTNOSTÍ TS A JEJICH HODNOCENÍ DŮLEŽITÉ Každá vlastnost TS je specifikována (a dále měřena, porovnávána a hodnocena) smluvní nebo normativní množinou kritérií zde nazývaných jako indikátory vlastnosti. Velikost každého indikátoru vlastnosti je dále specifikována (a dále měřena, porovnávána a hodnocena) pomocí jedné (přímé) nebo více (nepřímých), (smluvních nebo normativních) souřadnicových rozměrů (v nejširším slova smyslu, tj. měřitelných numericky i nenumericky), tj. pomocí velikosti odpovídajících proměnných měřených pomocí smluvních nebo normativních stupnic. Poznámky: i - Např. u kvádru jsou takovými rozměrovými indikátory vlastností délka, šířka a výška, u koule průměr, apod.. - Když je vlastnost definována pouze jedním indikátorem vlastnosti, pak se pojmy vlastnost a indikátor vlastnosti překrývají. Je však doporučeno i v tomto případě oba tyto pojmy rozlišovat. - Např. délka hrany součásti může být definována přímo pomocí jednoho délkového rozměru/proměnné nebo nepřímo jako délka vektoru určeného dvou nebo trojrozměrnými souřadnicemï jeho koncových bodů; dalším příkladem je tvar složité prostorové plochy TS definované např. množinou trojrozměrných souřadnic tj. soustavou trojic souřadnicových rozměrů/proměnných.) S. Hosnedl 4

5 NEEDED Příklady (pro osobní automobil): INDIKÁTORY VLASTNOSTÍ TS A JEJICH HODNOCENÍ Struktura: Příklady: TS: Osobní automobil Vlastnost TS Indikátory vlastnosti TS Hodnoty indikátoru vlastnosti TS Doména: Reflektované vlastnosti Třída: Vlastnosti k člověku (a ostatním živým bytostem) Vlastnost: bezpečnost TS Indikátor vlastnosti: počet airbagů [1] Hodnota indikátoru vlastnosti: 4 Indikátor vlastnosti: brzdná vzdálenost (při 50 km/h, betonový podklad, suchý, ) [m] Hodnota indikátoru vlastnosti: 14.2 m Vlastnost: vzhled TS Doména: Desktiptivní vlastnosti Indikátor vlastnosti: celkový vzhled [stupnice: špatný; uspokojivý; dobrý; výborný] Hodnota indikátoru vlastnosti: dobrý Třída: Behaviorální (reaktivní) konstrukční vlastnosti Vlastnost: posunutí od deformací (např. hřídele B) Indikátor vlastnosti: max. posunutí od ohybu u omax [mm] (při max. provozní zatížení) Hodnota indikátoru vlastnosti: 0.01 mm Třída: Definiční (elementární) konstrukční vlastnosti Vlastnost: rozměry součásti (např. poz. 6) Indikátor vlastnosti: délka hrany b [mm] Hodnota indikátoru vlastnosti: 40.5 mm Obr.: Příklad systematického popisu vlastností pro osobní automobil S. Hosnedl 5

6 K INFORMACI PŘÍKLADY VLASTNOSTÍ TS atd., atd, atd.??? Obr. : Příklady vlastností (a tudíž i požadavků na) TS naléhavá potřeba jejích uspořádání, tj. třídění (taxonomie) S. Hosnedl 6

7 K INFORMACI INSTRUKTIVNÍ TŘÍDĚNÍ VLASTNOSTÍ TS (1) Geometrie: Velikost, výška, šířka, délka, průměr, prostorové nároky, počet, uspořádání, spojení, prodloužení. Kinematika: Druh pohybu, směr pohybu, rychlost, zrychlení. Síly: Směr síly, velikost síly, frekvence, hmotnost, zatížení, deformace, tuhost, poddajnost, setrvačné síly, rezonance. Energie: Výstup, účinnost, ztráty, tření, ventilace, stav, tlak, teplota, přívod tepla, chlazení, přívod, skladování, kapacita, přeměna. Materiál: Tok a transport materiálů. Fyzikální a chemické vlastnosti výchozího a konečného produktu, pomocné materiály, předepsané materiály (potravinové předpisy apod.). Signály: Vstupy a výstupy, forma, zobrazení, ovládací zařízení. Bezpečnost: Přímé bezpečnostní systémy, provozní bezpečnost a bezpečnost okolí. Ergonomie: Vztah člověk-stroj, druh ovládání, ovládací výška, přehlednost uspořádání, komfort sezení, osvětlení, tvarová kompatibilita. Výroba: Podniková omezení, maximální možné rozměry, preferované výrobní metody, výrobní prostředky, dosažitelná kvalita a tolerance, zmetky. Řízení kvality : Možnosti testování a měření, uplatnění speciálních předpisů a norem. Montáž: Speciální předpisy, instalace, usazení, základy. Doprava: Omezení vlivem zvedacího zařízení, světlost/průchod, dopravní prostředky (výška a hmotnost), princip a podmínky expedice. Provoz: Tichost, opotřebení, speciální použití, marketingová oblast, místo určení, (např. sirná atmosféra, tropické podmínky). Údržba: Servisní interval (pokud vůbec uvažován), prohlídky, výměny a opravy, nátěry a čištění. Recyklace: Opakované použití, opětovné zpracování, odstranění odpadu, uložení. Náklady: Maximální přípustné výrobní náklady, náklady na výrobní zařízení, investice a devalvaci. Časový plán: Koncový datum vývoje, plánování projektu a řízení, datum dodání. Obr.: Příklad instruktivního třídění vlastností TS v kontrolním seznamu pro zpracování požadavkového listu [Pahl&Beitz et al, 2007, s.149] Poznámka: - Je zřejmé, že i přes zjevnou snahu autorů o přehledné uspořádání jsou i u tak moderní publikace kritéria třídění v podstatě nesystematická S. Hosnedl 7

8 ÚVOD DO TŘÍDĚNÍ VLASTNOSTÍ TS podle EDSM DŮLEŽITÉ - Funkce, tj. schopnost vykonávat účinky pro transformaci operandu jsou základní (rozlišující) vlastností (cílem) TS, avšak TS musí navíc : = mít především potřebné parametry účinků (výkon, rychlost, sílu, ) = mít schopnost pracovat v předpokládaném prostředí = být dobře obsluhovatelné = být schopné dopravy = mít uspokojivý vzhled = atd., atd., - aby toto mohlo být splněno, TS musí: = mít vyhovující pevnost, tuhost, korozivzdornost, atd., což u TS závisí na jeho: = vhodné struktuře a prvcích = vhodných tvarech, materiálech, atd., prvků, atd. což je rámcově předurčeno jeho: = funkčními principy = konkrétními pracovními způsoby = atd S. Hosnedl 8

9 ÚVOD DO TŘÍDĚNÍ VLASTNOSTÍ TS podle EDSM DŮLEŽITÉ Z předchozího výčtu příkladů vlastností vyplývá, že vlastnosti TS lze logicky rozčlenit do dvou kvalitativně odlišných domén (oblastí) vlastností : I Reflektované vlastnosti: vyjadřují reflexe, tj. reflektování TS okolím na základě obou následujících domén (první část předchozích příkladů) II Deskriptivní vlastnosti: vyjadřují popis TS, příp. jeho charakteristiku (druhá část předchozích příkladů) Poznámka: - V odborné literatuře je členění vlastností TS do domén doposud neustálené. a nejednotné. Např. v [Hubka&Eder 1988] i [Eder&Hosnedl 2008] jsou vlastnosti TS náležející do uvedené domény reflektovaných vlastností označovány jako vlastnosti vnější a vlastnosti TS náležející do domény deskriptivních vlastností jsou označovány jako vlastnosti vnitřní. V [Andreasen&McAloonee 2008] a [Weber 2008] jsou naproti tomu vlastnosti TS náležející do domény deskriptivních vlastností označovány jako charakteristiky TS a vlastnosti náležející do domény reflektovaných vlastností jsou označovány jako vlastnosti TS. V [Birkhofer&Waeldele 2008] jsou pak vlastnosti TS členěny na nezávislé, což odpovídá doméně deskriptivních vlastností a závislé, což odpovídá doméně reflektovaných vlastností. Na základě řady analýz a dlouhodobých zkušeností z výzkumu, výuky i řady praktických aplikací je však autor předložené práce pevně přesvědčen, že uvedené členění vlastností TS do dvou domén [Hosnedl&al 2008d] je optimální, jak bude vyplývat i z dalšího výkladu.. i S. Hosnedl 9

10 k jeho reflektování v průběhu životního cyklu o.ž.byt. Σ HuS 3 Teorie vlastností TS Σ Tech.Systémy Σ TS.A.&R. Přír..Syst. AR NS Σ IS Σ Man.Systémy Σ MgS k jeho kauzálnímu popisu - deskripci TŘÍDĚNÍ VLASTNOSTÍ TS DO TŘÍD DŮLEŽITÉ Σ Lidé a Σ Inf.Systémy I. Doména REFLEKTOVANÝCH VLASTNOSTÍ TS Plánování vzniku TS LC Ia. Reflektované vlastnosti TS LC k Provoznímu procesu vč. jeho Operandu Technické & technologické vlastnosti TS LC v provozní etapě LC : 1. Vlastnosti TS LC k provozním funkcím/účinkům Konstruování TS LC 2. Vlastnosti TS LC k provozuschopnosti I. Vlastnosti TS LC Technologická a organizační příprava výroby a ost. LC etap TS LC Výroba TS LC vč. montáže, testování, kontrol výr. kvality ap. II. Vlastnosti TS LC Ib. Reflektované vlastn. TS LC k Operátorům Transformačních systémů vč. jejich přísluš. AR Env (každá vlastnost se obecně vztahuje ke všem etapám LC!): 3. Vlastnosti TS LC k člověku (lidem) a ost. živým bytostem (Σ HuS: HuS & AR HuS Env ) 4. Vlastnosti TS LC k ost. technickým systémům, tj. k tech.& tg prostř. TS LC (Σ TS: TS & AR TS Env) 5. Vlastnosti TS LC k akt&reakt. přírodním systémům (přírodním prostředím) (AR NS: AR NS Env ) 6. Vlastnosti TS LC k informačním systémům (odborným informacím) (Σ IS: IS & AR IS Env ) Distribuování TS LC vč. balení, skladování, instalování, ap. 7. Vlastnosti TS LC k manažerským systémům (manaž.informacím) (Σ MgS: MgS & AR MgS Env ) TS TS LC Provozování TS LC provozní proces vč.údržby, oprav,ap. II. Doména DESKRIPTIVNÍCH VLASTNOSTÍ TS (vlastnosti jsou invariantní k etapám LC): 8. Behaviorální (reaktivní) konstrukční vlastnosti TS LC Likvidace TS LC vč. demontáže, separace, recyklace, apod. 9. Definiční (elementární) konstrukční vlastnosti TS LC 10. Znakové konstrukční vlastnosti (charakteristiky ) TS LC Obr.: Vztahy mezi životním cyklem TS LC a Doménami (I II) a Třídami vlastností ( 1 10 ) TS S. Hosnedl 10

11 REKAPITULACE 2 Technický systém teorie TS ke strukturám 2.6 Taxonomie vlastností Technického systému POTŘEBNÉ TS: Osobní automobil Doména: Reflektované vlastnosti Třída: Vlastnosti k člověku (a ostatním živým bytostem) Vlastnost: bezpečnost TS Indikátor vlastnosti: počet airbagů [1] Hodnota indikátoru vlastnosti: 4 Indikátor vlastnosti: brzdná vzdálenost (při 50 km/h, betonový podklad, suchý, ) [m] Hodnota indikátoru vlastnosti: 14.2 m Vlastnost: vzhled TS Doména: Desktiptivní vlastnosti Indikátor vlastnosti: celkový vzhled [stupnice: špatný; uspokojivý; dobrý; výborný] Hodnota indikátoru vlastnosti: dobrý Třída: Behaviorální (reaktivní) konstrukční vlastnosti Vlastnost: posunutí od deformací (např. hřídele B) Indikátor vlastnosti: max. posunutí od ohybu u omax [mm] (při max. provozní zatížení) Hodnota indikátoru vlastnosti: 0.01 mm Třída: Definiční (elementární) konstrukční vlastnosti Vlastnost: rozměry součásti (např. poz. 6) Indikátor vlastnosti: délka hrany b [mm] Hodnota indikátoru vlastnosti: 40.5 mm Obr.: Příklad systematického seznamu/specifikace vlastností pro osobní automobil S. Hosnedl 11

12 POTŘEBNÉ VTAHY MEZI DOMÉNAMI VLASTNOSTÍ TS I. Doména REFLEKTOVANÝCH VLASTNOSTÍ TS REFLEKTOVANÉ VLASTNOSTI TS Ia. Reflektované vlastnosti TS LC k Provoznímu procesu vč. jeho Operandu Technické & technologické vlastnosti TS LC v provozní etapě LC : 1. Vlastnosti TS LC k provozním funkcím/účinkům 1. Vlastnosti k Provoz. fun./účink. - provoz 2. Vlastnosti k Provozuschopnosti - provoz 2. Vlastnosti TS LC k provozuschopnosti 3. Vlastnosti k Člověku (lidem) Ib. Reflektované vlastn. TS LC k Operátorům Transformačních systémů vč. jejich přísluš. AR Env (a ost. živ. bytostem) (každá vlastnost se obecně vztahuje ke všem etapám LC!): (Σ HuS: HuS & AR HuS Env) - všechny etapy LC (!) 3. Vlastnosti TS LC k člověku (lidem) a ost. živým bytostem (Σ HuS: HuS & AR HuS Env ) 4. Vlastnosti TS LC k ost. technickým systémům, tj. k tech.& tg prostř. TS LC (Σ 5. Vlastnosti TS: TS & AR TS Env) k Akt.&Reakt. Přírodním systémům 5. Vlastnosti TS LC k akt&reakt. přírodním systémům (přírodním prostředím) (AR (AR NS: AR NS: NS AR Env) NS Env ) - všechny etapy LC (!) 6. Vlastnosti TS LC k informačním systémům (odborným informacím) (Σ IS: IS & AR IS Env ) 7. Vlastnosti TS LC k manažerským systémům (manaž.informacím) (Σ MgS: MgS & AR MgS Env ) 6. Vlastnosti k Informač. systémům (Σ IS: IS & AR IS Env) - všechny etapy LC (!) II. Doména DESKRIPTIVNÍCH VLASTNOSTÍ TS (vlastnosti jsou invariantní k etapám LC): 8. Behaviorální (reaktivní) konstrukční vlastnosti TS LC DESKRIPTIVNÍ VLASTNOSTI TS 8. Behaviorální (reaktivní) konstrukční vlastnosti - pevnost - odolnost proti opotřebení - tuhost - odolnost proti korozi - tvrdost - odolnost proti požáru - houževnatost - odolnost proti mrazu 9. Definiční (elementární) konstrukční vlastnosti - konstrukční struktura: prvky, uspořádání - prvky : tvary, rozměry, materiály, způsoby výroby, stavy povrchu, odchylky od jmen. hodnot (ve volném i zamontovaném stavu 10. Znakové konstrukční vl. (charakteristiky) TS - Tg princip a způsob - akční místa půs. na operand - transformační operace - podmínky půs. na operand - použitelnost TS - funkční a orgánová strutura - prac. princ.a způs.ts - principy form-giving, apod. 7. Vlastnosti k Manaž. systémům (Σ MgS: HuS & AR MgS Env) - všechny etapy LC (!) 4a. Vlastnosti k ost. Tech. systémům (Σ TS: TS & AR TS Env) - předvýr. etapy 4b. Vlastnosti k ost. Tech. systémům (Σ TS: TS & AR TS Env) - výroba 4c. Vlastnosti k ost. Tech. systémům (Σ TS: TS & AR TS Env) - distribuce 4d. Vlastnosti k ost. Tech. systémům (Σ TS: TS & AR TS Env) - likvidace 9. Definiční (elementární) konstrukční vlastnosti TS LC 10. Znakové konstrukční vlastnosti (charakteristiky) TS LC Obr.: Princip závislostí mezi doménami vlastností TS při konstruování [Hubka&Eder 1988] [Hosnedl 2013] S. Hosnedl 12

13 POTŘEBNÉ KONSTR. Z HLED. VLASTNOSTÍ TS (DfX) a PREDIKCE VLASTNOSTÍ TS (PoX) Obecný princip poznatků DfX a PoX : Všechny vlastnosti TS spolu vzájemně (obecně) souvisejí. Pro konstruování je nezbytné znát, příp. mít k dispozici, kvantitativní nebo alespoň pseudokvantitativní vzájemné závislosti (hodnot charakteristik!) jednotlivých reflektivních, reaktivních a deskriptivních vlastností TS (velmi známé jsou např. poznatky z nauky o pevnosti, pružnosti, apod.). Obsah, forma a dostupnost těchto poznatků rozhodují jak o kvalitě budoucího TS, tak o efektivnosti a účinnosti konstrukčního procesu. Nejsou a ani to však nemohou vždy být jen výpočtové vztahy v matematické formě (potřebujeme např. i poznatky o vyrobitelnosti, ergonomii, apod.) S. Hosnedl 13

14 POTŘEBNÉ KONSTR. Z HLED. VLASTNOSTÍ TS (DfX) a PREDIKCE VLASTNOSTÍ TS (PoX) Konkrétní princip poznatků DfX a PoX: Všechny vlastnosti TS závisejí na jediné třídě definičních vlastností (která patří spolu se znakovými a behaviorálními vlastnostmi TS do domény deskriptivních vlastností): Definiční konstrukční vlastnosti: Pro stavební strukturu TS: - prvky stavební struktury - jejich uspořádání Pro prvky stavební struktury TS: - tvary - rozměry - materiály - způsoby výroby - stavy povrchů - odchylky od jmenovitých hodnot Všechny (hodnoty indikátorů vlastností) pro volný i zamontovaný stav (odlišnost od [Hubka&Eder 1988]!) S. Hosnedl 14

15 K INFORMACI POZNATKY DfX PRO KONSTRUOVÁNÍ TS TS pro vyrobitelnost TS pro hmotnost TS pro aerodynamičnost TS pro čistitelnost TS pro obranyschopnost TS pro pevnost TS pro řiditelnost TS pro výkonnost Reálný TS Obr.: Znázornění odděleného využití poznatků a metod DfX i a reálného suboptimalizovaného využití DfX pro TS letadlo [Hubka 1995] S. Hosnedl 15

16 K INFORMACI POZNATKY PoX PRO KONSTRUOVÁNÍ TS Obr.: Příklady vlivu technologie realizace PoX na čas potřebný na zjištění (hodnot indikátorů) vlastností TS [Hubka 1995] S. Hosnedl 16

17 POTŘEBNÉ TAXONOMIE (SYSTEMATICKÉ USPOŘÁDÁNÍ) METOD a PRINCIPŮ DfX a PoX Výchozí poznatky: Poznatky DfX jsou podle všech dostupných pramenů doposud nesystematicky soustřeďovány pouze do tematicky příbuzných skupin označovaných na principu: Poznatky pro Konstruování z hlediska X (anglicky : Design for X (DfX), německy: X-gerechtes Konstruieren) kde: X je obecně nějaká vlastnost TS, např.: poznatky pro Konstruování z hlediska výroby, pevnosti, apod., (anglicky : Design for Manufacturing (DfM), německy: Fertigungsgerechtes Konstruieren) Poznatky PoX jsou podle všech dostupných pramenů doposud nesystematicky soustřeďovány pouze podle vědních, společenských, inženýrských, výrobních a řady dalších druhů oborů, do které příslušná skupina vlastností X náleží (je jejím předmětem). Vzhledem k podstatě poznatků DfX a PoX je zřejmé, že optimální základnou pro jejich systematické (a navíc i shodné) třídění pro potřeby EDS a konstruování vůbec je taxonomie vlastností TS S. Hosnedl 17

18 LITERATURA KONSTRUOVÁNÍ KKS/KS [Eder&Hosnedl 2008] Eder, W. E., Hosnedl, S.: Design Engineering, A Manual for Enhanced Creativity. Boca Raton, Florida, USA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2008, 588 s., ISBN [Eder&Hosnedl 2010] Eder, W. E., Hosnedl, S.: Introduction to Design Engineering: Systematic Creativity and Management. Boca Raton, Florida, USA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2010, 432 s., ISBN: [Hosnedl 2014] Hosnedl, S.: Systémové navrhování technických produktů. 2. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, s. ISBN (elektronická verze). [Hosnedl&al 2012] Hosnedl, S., Dvořák J. a Kopecký M.: Konstrukční a designérský návrh nemocničního lůžka pro intenzivní péči Case study. 1. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, s. ISBN (elektronická verze). [Hubka 1995] Hubka, V.: Konstrukční nauka, z Engineering Design (Zürich: Heurista, 1992) přel. Hosnedl, S. 2. přeprac. a dopl. vyd. Zürich: Heurista, s. ISBN [Hubka&Eder 1988] Hubka, V., Eder, W.E: Theory of Technical Systems. Berlin Heidelberg: Springer - Verlag, 1988, (2. vyd. něm. 1984) ISBN [Hubka&Eder 1996] Hubka,V., Eder, W.E.: Design Science. London, Springer,1996, ISBN [ČSN-EN-ISO-9001 (2009) 2010] ČSN EN ISO 9001 (idt ISO 9000: Czech version of the European Standard EN ISO 9000:2008): Systémy managementu kvality Požadavky (Quality management systems Requirements). Praha: Český normalizační institut (2009), 2010 Poznámka: - Případná další speciální, zde neuvedená literatura viz [Hosnedl 2012] POTŘEBNÉ S. Hosnedl 18

19 Děkuji Vám za pozornost Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/ Inovace výuky podpořená praxí.